Optoelektronika Zdroje Detektory Systémy
Optoelektronika Optoelektronické součástky využívají interakce záření a elektricky nabitých částic v polovodičích. 1839 E. Becquerel - Fotovoltaický jev 1873 W. Smith - Fotovodivost selenu 1954 Chapin, Fuller, Pearson - Solární článek s pn přechodem 1962 Pankove, Berkeyheiser - GaAs LED 1962 R. N. Hall, Nathan,... - GaAs LASER 1962 N. Holonyak... - GaAsP červený LASER 1963 H. Kroemer, Alferov - návrh LASERu s heteropřechodem 1963 Allen - GaP červená LED 1965 Thomas, Hopfield - GaP:N zelená LED 1971 Pankove - GaN modrá MIS dioda...
1962 N. Holonyak... - GaAsP červený laser 1963 H. Kroemer, Alferov - návrh laseru s heteropřechodem 1963 Allen - GaP červená LED 1965 Thomas, Hopfield - GaP:N zelená LED 1971 Pankove - GaN modrá MIS dioda...
Záření - elektromagnetické vlny s vlnovou délkou λ - množství fotonů (kvant) o energii W Planckův zákon h c h c W = h ν = = λ λ e h - Planckova univerzální konstanta (h = 6.62 10-34 J.s ) c - Rychlost světla (c = 3.10 8 m.s -1 ) e - Náboj elektronu (e = 1,602 10-19 C)
Záření Planckův zákon h c h c W = h ν = = λ λ e Čím kratší je vlnová délka fotonu, tím větší je jeho energie. 3eV 2 1eV W(eV) 0.4eV W(eV) 0.2eV λ (µm) vlnočet (cm -1 ) λ (µm) počet vln na cm
Interakce záření a polovodiče W g W > W g ABSORPCE (fotoelektrický jev) 1,24 λ [ µm; W g ev ] V polovodiči se může absorbovat jen záření, jehož vlnová délka je kratší než ABSORPČNÍ HRANA Aplikace: FOTODETEKTORY
Interakce záření a polovodiče W g W > W g ABSORPCE (fotoelektrický jev) 1,24 λ [ µm; W g ev ] V polovodiči se může absorbovat jen záření, jehož vlnová délka je kratší než ABSORPČNÍ HRANA 1921 Nobelova cena za fyziku objev fotoelektrického jevu
Interakce záření a polovodiče W g W > W g ABSORPCE (fotoelektrický jev) Absorpční hrana (T=300 K) : Ge: λ =1.5 µm W g = 0.84 ev Si: λ = 1.1 µm W g = 1.12 ev GaAs: λ = 0.85 µm W g = 1.42 ev Pro delší vlnovou délku d je polovodič průhledný (neabsorbuje). Pro danou vlnovou délku musíme vybírat detektor podle materiálu!
Interakce záření a polovodiče W g Elektron samovolně (spontánně) rekombinuje s dírou. Uvolněná energie se vyzáříve formě fotonu (zákon zachování energie). Aplikace: LED (Light Emitting Diode)
Interakce záření a polovodiče W g Rekombinace elektronu s dírou je stimulována přilétajícím fotonem, jehož frekvence, polarizace a fáze je shodná jako u vyzářeného fotonu. Vznikající záření je koherentní. Aplikace: LASER (Light Amplification by Stimulated Emmision of Radiation)
Interakce záření a polovodiče W g Zur Quantentheorie der Strahlung, Physika Zeitschrift, Volume 18, pp. 121 128, 1917 Předpověď stimulované emise Počátek fyziky laserů
Zdroje a detektory záření FOTONOVÁ VAZBA zdroj - detektor
Zdroje nekoherentního záření U LED + - I F U cc R = (U cc U LED ) / I F Injektované elektrony a díry rekombinují spontánní emise.
LED Materiál Barva světla/záření Vlnová délka [nm] Úbytek napětí @I F =20mA [V] SiC, GaN Modrá 450 3,6 GaP Zelená 565 2,2 GaAs 0,15 P 0,85 :N Žlutá 585 2,1 GaAs 0,35 P 0,65 :N, GaAs 0,6 P 0,4, GaP:Zn-O Červená 635 2,0 SiC/GaN + luminofor na povrchu čipu Bílá 450 650 4500K * 3,6 GaAs:Si Infračervené záření 820 / 900 / 950 1,5
LED Materiál SiC, GaN Barva světla/záření Modrá Vlnová délka [nm] 450 Úbytek napětí @I F =20mA [V] 3,6 GaP Zelená 565 2,2 GaAs 0,15 P 0,85 :N Žlutá 585 2,1 GaAs 0,35 P 0,65 :N, GaAs 0,6 P 0,4, GaP:Zn-O Červená 635 2,0 SiC/GaN + luminofor na povrchu čipu Bílá 450 650 4500K * 3,6 GaAs:Si Infračervené záření 820 / 900 / 950 1,5 Příklad: zelená LED I outm = 5 ma@5v, h 21E =100, R C =?, R B =? R C = (U CC U CEsat -U LED ) / I LED = = (5 0,2 2,2) / 0,02 = 130 Ω I C = I LED = 20 ma katalog +5V I outm I B U out U LED R B =? U BE +5V R C =? I C R B =(U out U BE )/I B =(U out U BE ) h 21E /I C =(5 0,7) 100/0,02 = 21,5 kω volíme 22 k
Elektronika - Elektronika a fotonika magisterské studium na FEL 1. semestr Matematika pro elektroniku Struktury číslicových systémů Struktury integrovaných obvodů Elektronika polovodičů Ekonomika Právo volitelně Projekt Syntéza Analogové Výkonové v týmu 2. semestr integrovaných diskrétní TCAD polovodičové Humanitní el. systémů soustavy součástky volitelně 3. semestr Návrh vf a mikrovln. obvodů Součástky integrované a vláknové optiky Povinně volitelný předmět Projekt individuální Humanitní volitelně 4. semestr Nano technologie Volitelný předmět Diplomová práce Diplomová práce Ekonomika & management Elektronika od DC přes RF do OPTO. Garant: J. Vobecký
LASER Podmínky činnosti: 1. Existence aktivního prostředí, kde nastává stimulovaná emise. 2. Existence kladné zpětné vazby. 3. Zajištění inverzního obsazení hladin. Normální obsazení: n2 ( W2 W1 ) exp n k T 1 n 2 W 2 Inverzní obsazení (n 2 >n 1 ) n 1 W 1 stim. emise převáží nad absorpcí
Polovodičový LASER- Metody zvýšení účinnosti 1. Mikropáskový kontakt 2. Dvojitá heterostruktura
Polovodičový LASER propustný směr!!! Watt-ampérová charakteristika
Průrazné napětí je minimální!
C2, L1: Blokuje ss složku R5: Impedanční přizpůsobení R4: Nastavení P avg laseru Data buffer - urychluje hrany Detektor výkonu laseru z 2.zrcadla nastavení U out = hloubky modulace Přenos dat stovky MHz OZ jako integrátor
Aplikace Datové přenosy Paměťová média (CD)
Polovodičový LASER Distributed Bragg Reflector Libovolný tvar a plocha Možnost 2-D integrace Nízký prahový proud Snadné pouzdření Malá divergence svazku
Distributed Bragg Reflector dopadající vlna λ odražená vlna λ/4 vlna s vlnovou délkou λ/4 rovnou tloušťce vrstvy se odrazí v protifázi
Detektory záření - fotodioda W g
Detektory záření - fotodioda Záření o energii h ν >W g je absorbováno v OPN OPN svým elektrickým polem separuje elektrony a díry VZNIKÁ FOTOPROUD závěrný směr foton foton foton OPN
Záření absorbováno v OPN s velkou intenzitou elektrického pole. OPN je široká parazitni kapacita je malá odezva je rychlá OPN 1.0 - Energie (ev) 0.5 hν 0.0-0.5 Detektory záření - fotodioda + + P + - - - hν + N W C W V 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Poloha (µm)
Fotodioda OPN je široká parazitni kapacita je malá odezva je rychlá Parazitni kapacita klesá s rostoucím U R rychlost odezvy roste C 50 mm 2 10 mm 2 5 mm 2 1 mm 2 Závěrné napětí (V)
Fotodioda - fotovodivostní režim Se změnou intenzity dopadajícího záření se mění napětí U výst na fotodiodě. 30 U 0 Proud (µ A) 20 10 Intensita ozáření (mw.cm -2 ) Napětí (V) -10-8 -6-4 -2 0.0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 Napětí (V) 1-10 2 3 4 5 R z Proud (µ A) -20-30 I k U výst R z = U cc
Fotodioda - fotovodivostní režim Fotodioda zapojena jako spotřebič zdroj napětí + R z Zdroj napětí existuje proud za tmy menší citlivost 30 U 0 Proud (µ A) 20 10 Intensita ozáření (mw.cm -2 ) Napětí (V) -10-8 -6-4 -2 0.0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 Napětí (V) 1-10 2 3 4 5 R z Proud (µ A) -20-30 I k U výst R z = U cc
Fotovodivostní režim - zapojení Intensita ozáření (mw.cm -2 ) Proud (µ A) 30 20 10 Napětí (V) -10-8 -6-4 -2 0.0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 Napětí (V) 1-10 2 3 4 5 U 0 R z Proud (µ A) -20-30 I k U výst Fotodioda se chová jako zdroj proudu závislý na osvětlení R z = U cc
Fotovoltaický režim 4.kvadrant 1. Fotodioda se chová jako zdroj sluneční články. 2. V obvodu není zapojen žádný zdroj za tmy neteče proud! vhodné pro měření nízkých intenzit záření. 30 PROPUSTNÝ SMER Intensita ozáření (mw.cm -2 ) Proud (µ A) 20 10 Napětí (V) -10-8 -6-4 -2 0.0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 Napětí (V) 1-10 2 3 4 5 Proud (µ A) -20-30 U 0 Proud (µ A) -10-20 -30 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 R opt R opt I sh FOTOVOLTAICKÝ REŽIM
Koncentrátorové systémy
Fotovoltaický režim sluneční článek + dioda brání vybíjení baterie - 30 PROPUSTNÝ SMER Intensita ozáření (mw.cm -2 ) Proud (µ A) 20 10 Napětí (V) -10-8 -6-4 -2 0.0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 Napětí (V) 1-10 2 3 4 5 Proud (µ A) -20-30 U 0 Proud (µ A) -10-20 -30 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 R opt R opt I sh FOTOVOLTAICKÝ REŽIM
Fotovoltaický režim - transimpedanční zapojení 1M 30 PROPUSTNÝ SMER - +U CC Proud (µ A) 20 10 + -U CC u out Intensita ozáření (mw.cm -2 ) Napětí (V) -10-8 -6-4 -2 0.0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 Napětí (V) 1-10 2 3 Proud (µ A) -20 4-30 5 I sh Mezi vstupy operačního zesilovače je nulové napětí dioda pracuje do zkratu (I sh ) lineární závislost u out = f (fotoproud)
Fotovoltaický režim - transimpedanční zapojení 1M 1M I sh - +U CC I sh - +U CC + -U CC u out >0 + u out -U CC <0 Fotodioda se chová jako zdroj proudu I sh. OZ (zapojen jako převodník proud-napětí) konveruje I sh na napětí U out Transimpedanční zapojení Na výstupu je napětí U out = 1V na 1 µa fotoproudu I sh.
Fotovodivostní vs. fotovoltaický režim Fotovodivostní režim: použijeme, pokud je prioritou maximální rychlost Fotovoltaický režim: použijeme, pokud je prioritou nízký šum nebo energetická účinnost